Bausteine des Universums

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1 Quarks und Gluonenfarbige Bausteine des Universums Siegfried Bethke Max-Planck-Institut für Physik (Werner Heisenberg Institut) München DPG Bonn Dimensionen und Struktur der Materie Teilchenphysik und Kosmologie Fundamentale Teilchen und Kräfte Experimente zur Auflösung kleinster Strukturen Quarks und Gluonen im Proton Quarks, Gluonen und die Theorie der Starken Kraft (QCD) Hadronenjets: Fußspuren von Quarks und Gluonen Experimentelle Bestimmung von: Quarkspin und Gluonenspin Asymptotische Freiheit Kopplungs- Konstante α s Zusammenfassung; offene Fragen; Ausblick S.Bethke DPG Bonn

2 D i m e n s i o n e n u n d S t r u k t u r d e r M a t e r i e Universum Galaxie Sonnensystem m, 10 kg m, 10 kg m, 10 kg Erde m, 10 kg Mensch m, 10 kg Atom m, 10 kg?? Atomkern Nukleon m, 10 kg m, 10 kg -18 Quark, Lepton <10 m, 10 kg??????? S. Bethke

3 . Die Geschichte des Universums γ ν Zeit GEGENWART Temperatur Alter 2.7 K 15 Milliarden Jahre Wir sind hier ν γ Schwere Sterne Schweres Atom ν ν erste Supernovae Entstehung von Sternen und Galaxien Proto-Galaxie UNIVERSUM WIRD TRANSPARENT ν Bildung von Atomen. Entkopplung von K Wasserstoff Atom Helium Atom Jahre Strahlung und Materie. p p ν e γ n n p p ν e γ e Helium-Kern p e Neutrino ν p n n p γ Elektron Nukleosynthese e p Proton Photon von Helium (Wasserstoff-Kern) n n K Positronen verschwinden 1 sec. γ n Neutron p e p Q ν e Q Formation von e Q Q Q Q Q Q Q ν Positron Protonen und Neutronen e e ν Q Proton Q (Baryonen) Antiuarks verschwinden K ν g ν sec Gluon γ Q Z W Q Q Q? Asymmetry Q - Q L - L 27 e Y ν 10 K sec L Inflation Q Q ν ν X Q g ν? GROSSE VEREINHEITLICHUNG e?? Z e Q ν QUANTEN- 31 Q GRAVITATION 10 K sec L? S.Bethke DPG Bonn Urknall 3????? materiedominierte Ära strahlungsdominierte Ära 11 K 1 Milliarde Jahre

4 Elementare Teilchen: (sowie jeweilige Anti-Teilchen) Fundamentale Kräfte: D i e T h e o r i e d e r M a t e r i e : D a s " S t a n d a r d m o d e l " d e r T e i l c h e n p h y s i k Elementare Kräfte (Wechselwirkungen) kommen durch Austausch von besonderen Teilchen (Austauschbosonen) zustande. Quarks Leptonen u d ν e e Wechselwirkung Familien relative Reichweite zugehörige Austauschteilchen Stark subatomar Gluon (g) Electromagnet. unendlich Photon (γ) + _ Schwach subatomar W, W, Z Gravitation unendlich Graviton (G) T h e o r e t i s c h e V o r h e r s a g e z u r E r z e u g u n g d e r T e i l c h e n m a s s e n : Higgs-Teilchen (H) ; bisher unentdeckt S.Bethke DPG Bonn c s ν µ t b ν τ µ τ elektr. Ladung 2/3-1/3 0-1 st em schw grav x x x x x x x x - - x? - x x x 0 Kräfte relative Stärke

5 Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Auflösung subnuklearer Strukturen } Hohe Energien (Kleine Wellenlängen) der 'Sonden' Sonde s λ 1/Ε Kleinster noch trennbarer Abstand zweier Objekte Wellenlänge der 'Sonde': z.b. Licht, Elektronen, Protonen Energie der Sonden E = h ν = h c λ S.Bethke DPG Bonn

6 Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Sonde, Instrument typ. Energie Auflösung bis ca. auflösbare Objekte sichtbares Licht ev 10-6 m Viren Röntgenstrahlung; Elektronenmikroskop 10 kev m Atome, Kristallstrukt. niederenergetische Teilchenbeschleuniger Moderne Teilchenbeschleuniger (LEP, HERA) 100 MeV m 100 GeV m Atomkern Quarks und darüberhinaus.. S.Bethke DPG Bonn

7 DESY / Hamburg S.Bethke DPG Bonn

8 CERN / Genf LEP / LHC S.Bethke DPG Bonn

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15 Kleine Geschichte der Hadronischen Physik (1) 1932: Entdeckung des Neutrons p e n 1933: e µ 2.5 σ Substruktur des Protons 2 mp? 1947: Entdeckung der π-mesonen und langlebiger V-Teilchen (K 0, Λ) in Höhenstrahlung 1953: V-Teilchen an Beschleunigern produziert; neue innere Quantenzahl ("strangeness"). 1964: Statisches Quark-Modell; neue innere Quantenzahl: Farbe. Baryon (p,n, Λ,...) Meson (π,k,...) S.Bethke DPG Bonn

16 Kleine Geschichte der Hadronischen Physik (2) 1964: Statisches Quark-Modell; neue innere Quantenzahl: Farbe. 1969: Dynamisches Partonenmodel: e N γ * e } X 1973: Konzept der Asymptotischen Freiheit; Quanten Chromo Dynamik. 1975: 2-Jet Struktur in e + _ e -Vernichtung: Bestätigung Quark-Parton-Modell. 1979: Entdeckung des Gluons in 3-Jet- Ereignissen der e + _ e -Vernichtung. S.Bethke DPG Bonn e e αs + 0 Z,γ* Q 2 g

17 Quarks im Proton: Modell und Experiment heute Wirklichkeit Modell, Theorie Experiment: Registrieren vieler Ereignisse, Messung der gestreuten Elektronen Sandsack Befund: Erklärung: Es werden zu viele Elektronen stark abgelenkt (ualitativ ähnlich den Experimenten von Rutherford, 1911) das Proton hat harte Bestandteile, die QUARKS (Ch. Kiesling) S.Bethke DPG Bonn

18 Quarks im Proton? θ p P γ,z x [0,1] 0 1 x e θ,e Messung des Streuwinkels und der Energie der Elektronen (2 gegebene Größen): e 0 1 x 1/3 Streuwinkel und Impulsanteils x des Stoßpartners des Elektrons am Gesamtimpuls des Protons (2 Unbekannte) 0 1 x 1/3 (Ch. Kiesling) S.Bethke DPG Bonn

19 Quarks und Gluonen im Proton! u Messung des Impulsanteils zeigen ein kompliziertes Innenleben des Protons: Nur die Hälfte des Impulses wird von Quarks getragen, der Rest von den Binde-Teilchen, den Gluonen d u Gluon Je höher die Auflösung, desto mehr Gluonen sichtbar 0 (Ch. Kiesling) S.Bethke DPG Bonn

20 Eigenschaften der QED und der QCD : QED QCD Fermionen Leptonen (e,µ,τ) Quarks (u, d, s, c, b, t ) Kraft koppelt an: elektrische Ladung 3 Farb-Ladungen Austauschuantum Photon (γ) (trägt keine Ladung) Gluonen (g) (tragen 2 Frabladungen) g g g ist möglich Kopplungs- "Konstante" α 2 α (Q =0) = α s 2 2 (Q = M Z ) 0.12 α s Confinement Asymptotische Freiheit Q 2 Q 2 Freie Teilchen Leptonen (e,µ,τ) (Farbneutrale, gebundene Zustände von and ) Hadronen Theorie Störungstheorie bis zur O( α 4 ) Störungstheorie bis O( α s 3 ) Erreichte Präzision %... 20% S.Bethke DPG Bonn

21 Warum gibt es keine freien Quarks? QED Elektrische Ladungen: 2 Kraft F 1/r ; Energiedichte 1/r QCD Farbladungen: Kraft F const ; Energiedichte r r F e + e - F F F e + e - e + e - Kraft- und Energiedichte zwischen Ladungsträgern nimmt ab. Träger elektrischer Ladung sind freie Teilchen Kraft- und Energiedichte steigen an, bis ein neues Quark- Antiuark-Paar aus dem Vakuum erzeugt wird. Träger von Farbladung kommen nur in gebundenen, 'farbneutralen' Zuständen vor. S.Bethke DPG Bonn

22 Anatomie eines hadronischen Ereignisses Ort e + γ γ 0, Z Zeit e _ Electroweak Processes QCD Hadronisation Decays [GeV] Typical Momentum Transfer at LEP-I QCD: Kaskadenentwicklung störungstheoretisch berechenbar Hadronisation: phänomenologische Modelle Zerfälle: parametrisiert entsprechend experimenteller Messungen S.Bethke DPG Bonn

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24 Test grundlegender Quantenzahlen (-, g-spin): dσ 2 Quark-Spin = 1/2 ~ (1 + cos θ) dθ e θ + e QED ~ (1 + cos 2 θ) QED + elektroschwach WW Grobstruktur: Quarks haben Spin 1/2 Feinstruktur: Abweichung von 1 + cos 2 θ Verteilung (Vorwärts- Rückwärts-Asymmetrie) von 4.5% 2 sin θ = ± w S.Bethke DPG Bonn

25 Orientierung des Gluon-Jets in 3-Jet-Ereignissen: Test des Gluon-Spins (QCD: g-spin = 1) g 7000 events 3500 Boost L3 data vector (QCD) scalar λ Ellis- Karliner- Winkel cos λ S.Bethke DPG Bonn

26 Physik der Hadronen-Jets Zum Vergleich von Hadronen-Jets mit analytischen QCD -Rechnungen (Quark- und Gluonendynamik) muß man auflösbare Teilchenjets Theorie und Praxis definieren. Dazu benötigt man: Definition eines Auflösungskriteriums (z.b. minimale invariante Paarmasse, minimale Winkel, minimale Energien..) Vorschrift, wie man nichtauflösbare Jets rekombiniert. allerdings: Es gibt keine "natürliche" Definition von Jets! JADE - Jetdefinition: (meistbenutzt in e + e - -Vernichtung) 2 Gruppen von Teilchen, i und j, können aufgelöst werden falls für die skalierte Paarmasse ihrer 2 2 4er-Vektoren, y ij = M ij / E cm, gilt: y ij ycut Falls y ij < y cut, werden die 'Proto-jets' i und j von einem neuen, einzelnen (Proto-) Jet k ersetzt (Rekombination): p = p + p (rekursives Verfahren, bis alle y y ). k i j überlappende Jets kollineare Divergenzen S.Bethke DPG Bonn ij cut niederenergetische "Jets" Infrarot- Divergenzen

27 + Jetraten in der e e Vernichtung: "Beweis" der asymptotischen Freiheit JADE Jetalgorithmus für y = 0.08: cut (Hadronisations-Korrekturen sind klein und energieunabhängig für Q > 30 GeV) R 3 [%] PETRA PEP TRISTAN LEP Asymptotische Freiheit R 3 σ 3 jet σ tot α s (Q ) 1 ln Q 5 2 TeV 500 GeV 200 GeV 91 GeV / ln (Q [GeV]) S.Bethke DPG Bonn

28 Experimentelle Bestimmung von α s e e + in allen Reaktionen, in denen Gluonen vorkommen: 0 Z,γ* g e + e Vernichtungsreaktionen totaler hadronischer Wirkungsuerschnitt hadronische Zerfallsbreiten des Z und des τ Jetraten und Ereignisformvariablen e N γ * g e } X tiefinelastische Lepton-Nukleon-Streuung Skalenverletzung von Strukturfunktionen Summenregeln von Strukturfunktionen Jetraten und Ereignisformvariablen p p g } X g } X Proton-(Anti-)Proton Kollisionen Jetraten Photoproduktion inklusive b-quark Produktion S.Bethke DPG Bonn

29 World Summary of α (Q) s 0.5 α s (Q) 0.4 Data Theory Deep Inelastic Scattering e + e - Annihilation Hadron Collisions Heavy Quarkonia NLO NNLO February 2000 Lattice 0.3 QCD: α (Μ ) s Z = ± Q [GeV] S.Bethke DPG Bonn

30 Zusammenfassung uantitative Tests der QCD sind schwierig: Messungen kompliziert da nur farbneutrale Hadronen beobachtet werden anstatt Quarks und Gluonen Rechnungen kompliziert wegen Gluonselbstkopplung QCD Tests in hochenergetischen Reaktioen: Asymptotische Freiheit & Gluonselbstkopplung bestätigt Kopplungsstärke präzise bestimmt: α s(m Z) = ± Quarks und Gluonen in Protonen: nichttriviale Substruktur konsistente Beschreibung der Hadronproduktion in allen Teilchenreaktionen und in großem Energiebereich zunehmend gutes Verständnis des Confinements S.Bethke DPG Bonn

31 Offene Fragen: Ursprung und Größe der Quarkmassen (M up ~ O(MeV); M top ~ 175 GeV) theoretische Beschreibung des Confinements Quark- und Gluondynamik im Nukleon Substruktur von Quarks und Leptonen? Phasenübergang Quark-Gluon-Plasma (Kosmologie) S.Bethke DPG Bonn

32 Zukunftsprojekte: LHC / CERN S.Bethke DPG Bonn

33 TESLA e+e- Linearbeschleuniger mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser) 2 Linearbeschleuniger mit je 15 km Länge Kollisionsenergie von 500 GeV bis ca. 800 GeV 1-2 Großdetektor(en) zur Teilchenphysik Röntgenlaser Wellenlänge von 5 bis 0.05 Nanometer Experimentierkomplex für Materialforschung, Biologie, Medizin Beschleunigertunnel mit 5 m Durchmesser supraleitende Beschleunigerstrukturen Betriebstemperatur 2 K S.Bethke DPG Bonn

34 The End (13 Mb) S.Bethke DPG Bonn